¿Por qué sería preferible el MCAS de Boeing a una unidad de centrado y sensación modificada?

Según algunas fuentes , el propósito del MCAS en las variantes del 737 MAX de Boeing es aumentar la fuerza trasera necesaria para elevar aún más el morro cuando se vuela manualmente en ángulos de ataque elevados, a fin de brindar al avión características de manejo aceptables cuando se acerca a una pérdida.

Sin embargo, tanto las variantes MAX como sus predecesores ya tienen una unidad de centrado y sensación de elevador (página 8), cuyo propósito parece ser la generación de retroalimentación de fuerza de palanca adecuada en todas las etapas del vuelo. Si es así, entonces, a primera vista, esta sería la unidad adecuada para implementar la función de MCAS, lo que plantea la pregunta de por qué MCAS sería la solución preferida.

Se me han ocurrido algunas posibilidades, pero son solo conjeturas:

  1. La funcionalidad MCAS necesita la entrada del ángulo de ataque, que puede no estar disponible donde se encuentra la Unidad de sensación y centrado (en la cola), y sería complicado obtener esa información.

  2. Esta respuesta establece que la Unidad de Sentido y Centrado es una computadora mecánica; dado eso, por lo tanto, podría no ser fácilmente modificado.

  3. La modificación de la Unidad de sensación y centrado requeriría volver a certificarla en su totalidad , no solo su nueva función.

  4. Además de modificar las características de manejo, también se considera que MCAS contribuye directamente a la prevención de pérdida, al reducir el ángulo de ataque.

NB: Recientemente, Dominic Gates escribió un artículo informativo en el Seattle Times sobre los orígenes de MCAS.

Respuestas (4)

En el 737 NG, en ángulos de ataque elevados, el morro del avión se inclinaba naturalmente hacia abajo, lo que ayudaba a recuperarse de una entrada en pérdida y aumentar la velocidad aerodinámica.

Las góndolas de motor más grandes del 737 MAX están ubicadas adelante del centro de gravedad, lo que significa que en ángulos de ataque elevados empujan la nariz hacia arriba. MCAS ayuda a empujar la nariz hacia abajo en esta situación, similar a cómo se comportaría el 737 NG.

El ajuste adicional de morro hacia abajo tiene el efecto secundario de requerir más entrada de profundidad en ángulos de ataque altos, pero ese no era el propósito principal.

Hay varias razones por las que la Unidad de sensación y centrado tendría dificultades para proporcionar una funcionalidad similar:

  1. El avión debe inclinarse hacia abajo incluso en ausencia de entrada de control, por lo que no se puede hacer simplemente cambiando la forma en que los elevadores responden a la entrada del piloto.
  2. MCAS toma datos del ángulo de ataque, la altitud, la posición de los flaps y la velocidad aerodinámica. Actualmente, la Unidad de sensación y centrado solo detecta la velocidad del aire, por lo que de alguna manera necesitaría obtener las otras entradas.
  3. La Unidad de Sentido y Centrado es una computadora mecánica, por lo que agregar nuevas entradas y cambiar el comportamiento podría ser muy complejo de diseñar y certificar.

Otra posibilidad sería utilizar el sistema Mach Trim para ajustar la Unidad de Sentido y Centrado. El sistema Mach Trim usa la computadora de vuelo para ajustar la posición neutral del elevador para proporcionar estabilidad a velocidades más altas. Si bien la computadora de vuelo debe tener toda la información necesaria, el ajuste del estabilizador proporciona mucha más autoridad de control.

¿Está diciendo que el problema de las características de manejo que se analiza en el artículo de Leeham News no es el motivo del MCAS? ¿El comportamiento de cabeceo hacia abajo del NG es anterior a la entrada en pérdida?
No está diciendo que el artículo esté equivocado. Las características de manejo en un AoA alto es precisamente para lo que es MCAS. La FCU ya aumentó las fuerzas de la palanca de popa cuando la advertencia de entrada en pérdida estaba activa en el NG. La diferencia es que, en un AoA determinado, la sustentación creada por las góndolas del motor se convirtió en un factor, lo que generó un momento de morro más fuerte que el NG creado en el mismo AoA. Un punto de venta del MAX es que requirió muy poca capacitación de transición para los pilotos que actualmente vuelan NG. Usaron el MCAS para igualar más de cerca el rendimiento del NG.
@TomMcW No estoy en desacuerdo con los puntos que está planteando, pero mi pregunta no es "¿para qué sirve el MCAS?"
Supongo que la razón de la inestabilidad de empujar la nariz en un ángulo de ataque alto es que el centro de sustentación está frente al centro de masa. Pero, ¿por qué cambiar el motor hacia adelante cambia el centro de sustentación? Sin considerar el efecto secundario, el empuje del motor se dirige paralelo al fuselaje y, por lo tanto, al ala. Por lo tanto, no debería haber una diferencia perceptible en el par con respecto al centro de masa de todo el plano.
@Hans en un AOA alto, los motores producen sustentación aerodinámica. Por lo tanto, cuanto más adelante (o más grandes) estén, más lejos se mueve el centro total de sustentación hacia adelante.
Su afirmación me desconcierta en dos partes. Primero, el propio motor produce sustentación además del empuje paralelo al fuselaje y al ala. En segundo lugar, el ascensor así producido depende del AOA. ¿Podría aclarar esos puntos o proporcionar algunas referencias, mejor si vienen con derivación matemática?
@Hans Todas las góndolas de motor producen sustentación como consecuencia de su forma aproximadamente cilíndrica. Cuando el flujo de aire es paralelo al eje de un cilindro, no se produce sustentación, pero con el eje del cilindro en algún ángulo de ataque, se creará cierta sustentación. Como suele ser el caso, esta sustentación es una función de ese ángulo, la velocidad del aire y la densidad. Debido a que los motores están delante del ala, esta sustentación es desestabilizadora. Para baja resistencia, los motores están montados para tener un pequeño ángulo de ataque cuando se navega, por lo que esta sustentación solo es significativa a velocidades más bajas y mayor AofA...
@Hans Hasta cierto punto, esto afecta a todos los aviones con motores montados debajo/delante del ala, pero en el caso del 737 MAX, esto se ha convertido en un problema porque los motores se han vuelto mucho más grandes y más adelantados que los del ala y estabilizador fueron diseñados originalmente en concierto con. leehamnews.com/2018/11/14/… NB: alargar el fuselaje también desestabiliza porque el centro de presión de un cilindro está por delante de su centro geométrico. leehamnews.com/2018/11/30/bjorns-corner-pitch-stability-part-2

Un cambio en el sistema de sensación de tono no resolvería el problema. Es el comportamiento natural del MAX separado del sistema de control de vuelo (es decir, el comportamiento cuando no está tocando los controles). Como dice Fooot, los motores del MAX tienen el efecto de mover un poco el centro de sustentación general hacia adelante, lo que es más o menos lo mismo que mover el centro de gravedad hacia atrás.

El avión, en ciertos regímenes (flaps up), termina siendo neutral o casi neutralmente estable en cabeceo, especialmente en configuraciones de mayor potencia donde el empuje contribuye al momento de morro arriba, lo suficientemente malo como para que la actitud de cabeceo del avión se eleve cuando debería ser sólido como una roca y, lo que es peor, el tono natural hacia abajo que debería obtener con una disminución de la velocidad no estaba allí o era muy débil. El piloto podría contrarrestarlo, pero la carga de trabajo de vuelo manual aumenta cuando tienes que intervenir constantemente con un avión que tiene un poco de mente propia. Volar casi cualquier avión con un CG excesivamente retrasado es así.

La solución adecuada sería mover el rango del centro de gravedad operativo hacia adelante para cancelar la influencia de los motores más adelantados y hacer que la cola horizontal sea más grande para compensar, de modo que la potencia de cola requerida para girar en el despegue (que generalmente es el trabajo más difícil de la cola) todavía está ahí. No querían seguir esa ruta y decidieron usar un software para ejecutar la puñalada en segundo plano para "enmascarar" el problema de estabilidad del piloto para que pudieran mantener el rango C de G donde estaba. Es básicamente un sistema de estabilidad artificial con un requisito operativo limitado agregado como una curita para evitar una modificación mucho más costosa.

No es la primera vez que se hace. Recuerdo que se hizo algo similar en otro tipo, a saber, el MD-11, que permitió operar el avión con un CG más hacia atrás de lo normal, para reducir la fuerza de cola hacia abajo en crucero, reduciendo la resistencia al ajuste. Recuerdo vagamente un incidente de hace mucho tiempo en el que el sistema se desconectó mientras estaba en crucero y el piloto se hizo cargo de volar su avión neutralmente estable navegando en el punto mach lo que sea, y se inició una oscilación inducida por el piloto que sacudió a la gente en la parte de atrás bastante bien, como sacudir un tubo de papas fritas Pringles.

Esta respuesta no menciona la unidad de centrado/sensación, pero implícitamente parece estar diciendo que no sería una solución candidata porque, contrariamente al artículo de Leehams News, satisfacer el requisito de características de manejo no era el problema para el que se desarrolló MCAS. . Si es así, ¿podría modificar su respuesta para hacer este punto explícitamente, preferiblemente con referencias a una fuente autorizada sobre lo que hizo necesario algún tipo de mitigación?
@sdenham, el problema con la unidad de centrado es que está diseñada para tirar del yugo hacia el centro, pero para aumentar la estabilidad es necesario mover el centro, que es para lo que sirve la moldura.
@JanHudec No estoy sugiriendo que la Unidad de sensación y centrado, tal como está implementada actualmente, resuelva el problema; si lo hiciera, no habría necesidad de ningún tipo de modificación para compensar el efecto de los nuevos motores.
@sdenham, y no estoy hablando de la implementación actual, sino del propósito general. El problema para el que se desarrolló el MCAS son las características de manejo deficientes, pero la modificación de las características de manejo es un problema completamente ajeno al propósito de la unidad de centrado y tacto.
@JanHudec Según 737ng.co.uk/B_NG-Flight_Controls.pdf "La computadora de sensación del elevador proporciona fuerzas aerodinámicas simuladas... La sensación se transmite a las columnas de control mediante la unidad de centrado y sensación del elevador". Esto (y el nombre) sugiere que hace más que centrar, y modificar las fuerzas de control es lo que dice el artículo de Leeham News que es el propósito de MCAS.
@sdenham: "modificar las fuerzas de control" es un término demasiado amplio. La unidad de sensación y centrado proporciona "fuerzas aerodinámicas simuladas", pero las fuerzas aerodinámicas siempre empujan el elevador hacia el centro (en relación con el estabilizador móvil), aumentando con la presión dinámica, por lo que todavía está "centrado", con fuerza variable. Cambiar la posición del centro es la razón por la cual el estabilizador es móvil, por lo que agregar una lógica que lo mueva es el cambio más obvio. También hubo algunos otros casos de ajuste automático desde el modelo anterior.
Las unidades de centrado y sensación son simplemente cajas con resortes elásticos en el interior y un sistema mecánico que hace que los resortes trabajen contra una palanca con un fulcro variable. El paquete de resortes será impulsado por una palanca conectada al circuito de control. Cuando el piloto mueve los controles, está comprimiendo los resortes elásticos. El fulcro variable es movido por una computadora que lo ajusta para cambiar la fuerza que siente el piloto, lo que simula el aumento y la disminución de las fuerzas de control con la velocidad y otros factores. control S.
@JanHudec Según Bjorn Ferhm, el MAX no se vuelve estáticamente inestable, y el problema específico es que "se le pide al OEM de la aeronave que proponga soluciones a las características de cabeceo de la aeronave para que pueda considerarse aceptable para su uso según un estándar mínimo ( re. entrenamiento y competencia) piloto", y se consideró inaceptable (antes del MCAS) porque, al acercarse a la pérdida, "el piloto sentiría como si la aeronave de repente se elevara más rápido para la misma entrada de palanca". Puede que no estés de acuerdo con Bjorn, pero si es así, el problema es precisamente el tamaño de la fuerza hacia la posición central.
@JohnK Gracias por sus comentarios detallados. ¿Es irrazonable decir que, al menos en principio, el fulcro variable podría ajustarse para corregir el problemático "aligeramiento" de los controles en ángulos de ataque altos, multiplicando la fuerza de restauración por algún factor > 1,0? Me pregunto si la computadora que ajusta el fulcro es un dispositivo analógico mecánico (o hidro o electromecánico) simple, al que supongo que sería difícil agregar la entrada AofA y reglas adicionales, y podría tener que ser completamente re- certificado para todos los regímenes de vuelo?
@JohnK Con retroalimentación aerodinámica cero (y, por lo tanto, con la fuerza de la palanca totalmente configurada por la unidad de centrado/sensación), el trabajo de la unidad parece ser 1) hacer que la posición de la palanca libre/neutral corresponda a que el elevador esté alineado con el estabilizador 2 ) la fuerza de la palanca es siempre hacia el punto muerto 3) a una velocidad aerodinámica dada, un cambio dado en la fuerza da como resultado un cambio fijo en el cabeceo 4) aumenta la fuerza con la velocidad aerodinámica. Dado que no hay retroalimentación, la estabilidad reducida aparecería como un gran cambio en el tono para un pequeño cambio de desplazamiento , que se sentiría 'ligero' porque la fuerza es proporcional al desplazamiento.
El problema fundamental es que el problema de comportamiento no es algo que pueda abordarse mediante cambios en el régimen de fuerza que siente el piloto. El problema es el comportamiento natural "externo", se podría decir, que requirió la intervención "externa" de un sistema que opera en segundo plano y obliga al avión a comportarse de una manera transparente para el piloto. Usar el gato de tornillo de puñalada es la forma más fácil de hacerlo. Una alternativa podría ser un dispositivo que funcione como un amortiguador de guiñada, moviendo el elevador aguas abajo del sistema de sensación para que el piloto no se dé cuenta, pero eso sería mucho más costoso.
@sdenham, no dije que sea estáticamente inestable, pero lo que describe suena exactamente como si hubiera una región de estabilidad estática insuficiente justo antes de la parada. A medida que aumenta el ángulo de ataque, el centro de presión, en cada avión, se mueve ligeramente hacia adelante, creando un momento de cabeceo y reduciendo la estabilidad estática. Si ese es realmente el efecto que se volvió demasiado fuerte aquí, requiere crear un momento de cabeceo hacia abajo, es decir, recortar el morro hacia abajo. Sin eso, los pilotos pueden simplemente compensar la velocidad peligrosamente lenta y multiplicar la fuerza no ayudará, porque será cero en primer lugar...
@JanHudec Verá que se indicó anteriormente en el mismo artículo, la estabilidad reducida en ángulos de ataque altos es, de hecho, la causa de las características de manejo inaceptables. Si bien su problema de que los pilotos pueden recortar la fuerza de restauración parece válido, también parecería algo que podría decir sobre cualquier avión que se acerque a una pérdida. También es cierto que los pilotos pueden usar los interruptores de ajuste para anular el ACAS, por lo que el ACAS no elimina el riesgo. (continuado)
@JanHudec Cuando dice "requiere crear un momento de pitch-down", ¿parece estar diciendo que ACAS está destinado a ser una especie de empujador de palos previo a la pérdida? Si cree que ese es el propósito de ACAS (algo que la unidad de sentir y centrar no podría hacer), tal vez podría escribirlo como una respuesta.
Según tengo entendido, el problema era que el avión, cuando se elevaba a baja velocidad, podía comenzar a cabecear y desacelerar sin ninguna intervención del piloto. En otras palabras, se desplazaría por debajo de su velocidad de ajuste. MCAS aplica una corrección sutil bajando la punta de la cuchilla durante aproximadamente 9 segundos, luego se detiene y espera a ver qué sucede. Si el avión todavía está cabeceando, repite el proceso. No creo que el '37 tenga un empujador.
@JohnK Lo que estás diciendo aquí es que se vuelve estáticamente inestable en ángulos de ataque altos. He visto algunas fuentes (u opiniones) que dicen eso, pero otras (incluido el artículo de Bjorn Fehrm) dicen que no, que solo se reduce la estabilidad. Este es solo un problema relacionado con MCAS donde hay más opiniones en circulación que hechos, y tal vez debería preguntar primero sobre ellos... Si los 737 no tienen un empujador de palanca, eso podría ser un argumento para MCAS, ya que MCAS tiene empujador. como comportamiento.
@JohnK Permítanme repensar esto un poco ... los aviones continuarán disminuyendo la velocidad (y, en consecuencia, tendrán un ángulo de ataque cada vez mayor) si se recortan inicialmente, en la parte posterior de la curva de arrastre, se perturban de tal manera que disminuya la velocidad momentáneamente y no se toma ninguna acción correctiva. Esto no se considera un comportamiento inaceptable, al menos en la aviación general (no estoy seguro de a dónde va esta observación...)
@JohnK Encontré otra fuente (aunque no principal) que dice que el problema es una fuerza reducida, no una inestabilidad total: "Como la góndola está por delante de la C de G, este levantamiento provoca un ligero efecto de cabeceo (es decir, una fuerza de palanca reducida ) lo que podría llevar al piloto a tirar inadvertidamente del yugo más hacia atrás de lo previsto, acercando la aeronave a la pérdida. Además, '[MCAS] no es para la prevención de bloqueos (aunque indirectamente ayuda)' b737.org.uk/mcas.htm ... También he visto FAR §25.173 (estabilidad).
Usted apoya la opinión de @fooot y afirma que "los motores del MAX tienen el efecto de mover el centro general de sustentación hacia adelante". Lo dudo y se lo planteé debajo de su respuesta: "Su afirmación me desconcierta en dos partes. En primer lugar, el motor en sí produce sustentación además del empuje paralelo al fuselaje y el ala. En segundo lugar, la sustentación así producida depende de la AOA: ¿Podría aclarar esos puntos o proporcionar algunas referencias, mejor si vienen con derivación matemática?". Sin embargo, es incapaz de responder. ¿Tienes una respuesta a mi pregunta?
@JohnK: el avión McD que está buscando por los problemas de estabilidad de cabeceo es el MD-11, también conocido como "Pitch B#$!@ de Long Beach", por cierto

Boeing quería que el efecto MCAS fuera transparente para el piloto, como prueba de que no se mencionaba nada al respecto en el FCOM.

Actuar sobre el mecanismo de palpación y centrado requeriría un efecto repentino en la columna que habría sido notado y declarado como falla por los pilotos, ya que para obtener el mismo efecto que el trim, considerando el área de elevadores en comparación con el área THS, usted necesitaría un repentino y tremendo desplazamiento visible del centrado de la columna, mientras que un solo tiro de compensación de 2,5 ° (0,6 ° en el diseño original) es menos perturbador, principalmente porque los movimientos cortos de compensación son posibles por otras razones incluso en vuelo manual, como Recorte de máquina.

¿Quién se preocupará mucho por un solo disparo de recorte, no fue un AOA defectuoso que produjo disparos de recorte repetitivos? De hecho, permaneció transparente hasta que el AOA defectuoso produjo los bloqueos.

Gracias por responder, pero ¿podría explicar por qué inevitablemente resultaría en un efecto repentino? ¿Sería imposible para la unidad aumentar progresivamente la fuerza, en relación con la producida por la unidad del NG, a medida que la velocidad aerodinámica decae hacia la pérdida? (Digo velocidad en lugar de AofA, porque, AFAIK, la unidad no obtiene esos datos, pero tiene un par de pitots dedicados).
@sdenham, aumentar la fuerza marca la diferencia con el NG, por lo tanto, la necesidad de capacitación, pero Boeing no quería capacitación adicional en el simulador, por lo tanto, la necesidad de MCAS y lo más transparente posible. Es repentino porque ocurre inesperadamente en la retracción de los flaps una vez que la velocidad supera los 230 nudos. Consulte el siguiente sitio web. reuters.com/article/us-ethiopia-airplane-regulator-insight/…
¿Por qué los pilotos verían el uso de la unidad de centrado y sensación como una falla, pero el uso de la compensación no lo sería?

La raíz del problema con el MCAS es que el sensor de ángulo de ataque está cerca de la nariz en lugar de en el borde de ataque del ala, donde pertenece. Se supone que mide el Angulo de Ataque DEL ALA. En cambio, mide el Ángulo de Ataque DE LA NARIZ. Estas medidas no son las mismas mientras la aeronave cambia de cabeceo.

Con el fuselaje largo, bajar el morro de ascenso a crucero indicará falsamente una actitud de morro arriba porque el fuselaje gira alrededor del ala. Es por esto que ambos choques se produjeron por problemas que surgieron al pasar de ascenso a crucero. Si el MCAS funciona mal o no, depende completamente de la velocidad a la que el piloto cambia de cabeceo. Empuje demasiado hacia adelante con la palanca y estará condenado, cuando el MCAS tome el control del tono y no lo devuelva.

La lectura falsa con el morro arriba mueve el trim del elevador para bajar aún más el morro, provocando nuevamente una lectura falsa con el morro arriba. Es un ciclo de retroalimentación que no se detendrá hasta que el MCAS llegue a su límite, que se reinicia cada vez que el piloto sigue las instrucciones y presiona el botón de reinicio. Presiónelo más de tres veces y el ajuste se ajusta a los límites mecánicos del ajuste del elevador. En el segundo accidente, el piloto presionó el botón de reinicio más de 20 veces.

Pero cerca del ala tienes efectos secundarios del flujo alrededor del ala. Hay muchas paletas alfa en los fuselajes, por ejemplo, en todos los aviones de Airbus que conozco. También sería posible corregir ese error matemáticamente con la tasa de cabeceo y la velocidad del aire. Si mueve el sensor de ángulo de ataque hacia el ala, tendrá que calibrarlo para todas las configuraciones de flaps diferentes, con y sin fallas de flaps o slats. Mucho más fácil simplemente calibrarlo en el fuselaje donde al menos la geometría no cambia.
¿Por qué sería preferible el MCAS de Boeing a una unidad de centrado y sensación modificada?
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